基于wifi虚拟访问网络调度为下行流量智能空间为主

文摘

无线网络是广泛而密集部署的基础设施在智能空间中。然而,差异化服务与保证访问带宽不支持传统的无线网络。本文建立了无线虚拟接入网络提供担保为主要用户下行带宽。为每个主用户要求访问带宽,一群APs协调服务。为了最大化网络利用率,两个无线虚拟访问网络的调度算法的设计。设计一个调度算法是基于冲突图的最大独立集,有一个指数计算的复杂性。另一个调度解决方案是基于贪婪策略具有线性复杂度。仿真结果证明两种调度算法有效提高网络利用率,和贪婪算法更适合于实际应用。

1。介绍

作为重要的基础设施,无线网络是广泛而密集部署在许多智能空间场景(1,2智能家居(等),3),智能建筑(4),和智能校园(5]。车内安装智能设备访问互联网电台当他们与无线接入点(APs)相关联。由于无线网络是基于IEEE 802.11标准,采用分布式协调功能(DCF)的媒体访问控制(MAC)机制在大多数情况下。MAC机制,所有无线节点包括APs和车站几乎平等机会随机访问信道,和服务质量(QoS)而无法保证争用和补偿。在许多智能空间情况下,下行流量远远超过上行流量,一些用户需求不同但保证下行带宽。例如,4-channel HD(高清)监控可能要求保证16 Mbps的下行带宽,和远程控制设备可能只需要100 kbps的下行带宽也得到保证。传统无线网络不能支持差异化和担保等服务。因此,无线网络虚拟化引入WiFi网络来满足个性化的用户的带宽需求。

无线网络虚拟化是一种新兴的技术,近年来引起了人们广泛的关注(6,7,无线网络虚拟化服务隔离研究[8)或无缝漫游9]。无线网络虚拟化、网络基础设施可以脱离它所提供的服务,差异化服务可以共存于同一基础设施,其利用率最大化(10]。为了为用户提供保证QoS,虚拟网络建立和运营独立于彼此。为了管理和维护自动虚拟网络,软件定义网络(SDN)技术是用来控制数据传输的网络资源11]。至少有一个控制器是部署在SDN负责资源分配。

在这篇文章中,两种类型的无线网络用户的下行流量智能空间被认为是主导,主用户和二级用户。主要用户有特定的访问带宽需求,和二级用户没有这样的要求。无线虚拟接入网络(货车)是建立在软件定义无线网络为主要用户提供差异化和保证访问带宽。剩余带宽分配给二级用户提供最优服务。为了提高网络利用率,货车应该安排巧妙地最大化剩余带宽。因此,两种调度算法的设计。在第一个调度算法被称为小姐,大部分货车没有冲突发现基于最大独立集同时传输,有一个指数计算的复杂性。第二个调度算法是贪心算法有线性计算的复杂性;因此,它叫林家。广泛的模拟进行评估和林家小姐的表演。 Based on the simulation result analysis, MISS outperforms LINS slightly in network utilization maximization, but LINS has higher efficiency than MISS.

本文的贡献总结如下:(1)无线虚拟接入网络的框架提出了下行流量为主的WiFi网络来提供差异化服务和保证下行带宽(2)两个无线虚拟接入网络调度算法,即。,小姐和林家的,一个re designed to maximize the WiFi network utilization(3)模拟器开发评估两种调度算法的性能,和一个结论是,她们更适合实际应用

本文的其余部分组织如下。相关工作总结了部分2。系统模型中描述部分3。节4,两个货车调度算法的设计。实验结果进行了分析5,本文的结论部分6。

2。相关工作

无线网络虚拟化技术被认为是一种有希望的技术来提高资源利用率,QoS,安全,等等,已成为近年来研究热点(6,12,13]。在无线网络虚拟化中,一个逻辑函数是物理资源的解耦。根据物理资源和逻辑函数之间的映射关系,相关的工作可以分为三种类型,即隔离、聚合和混合动力车。

隔离型的无线网络虚拟化,多个虚拟网络共存于同一物理无线网络而不互相干扰。这是一个一对多关系从一个物理网络虚拟网络。虚拟网络是相互孤立的至少在一个维度,如时间、频率、空间和编码(14]。在[8),无线网状网络的虚拟访问网络提出了提供保证访问带宽,和虚拟接入网络分配不同的OFDMA副载波隔离。本文虚拟接入网络构建大宗商品WiFi网络为主要用户提供保证访问带宽。本文的不同特性是虚拟接入网络孤立在时域,和两个相应的调度算法的设计。

在无线网络虚拟化的聚合类型,多个物理设备一起作为一个虚拟的实体。这是一个从物理设备虚拟实体多对一的关系。例如,在[15),一个机制,多个APs虚拟化成一个虚拟的美联社。借助虚拟美联社,无线网络实现无缝漫游,美联社多样性是用来提高传输速度。在本文中,我们利用类似的美联社虚拟化机制(15),但扩展它来支持多个虚拟接入网络带宽的保证。

混合类型的无线网络虚拟化是上述两种类型的结合,物理网络和虚拟网络的多对多关系。在[16),例如,隔离的虚拟网络支持异构的物理网络。摘要无线网络虚拟化方案也属于混合型。在我们的方案中,多个APs虚拟化成一个单一的,而物理无线网络提供多个虚拟接入网络。

我们所知,这是第一次尝试把虚拟接入网与美联社聚合虚拟化。

3所示。系统模型

在这篇文章中,下行流量智能空间场景被认为是主导。在该方案中,一个软件定义无线网络部署提供互联网接入设备。软件定义的无线网络,所有的APs由一个控制器来管理。无线接口的所有APs配置成相同的参数,包括IP地址、MAC地址,频道,ESSID。因此,多个APs作为一个独特的虚拟美联社(15]。如果APs将不同不重叠的渠道来增加网络容量,APs在同一通道被组织成一个虚拟的美联社。在这种情况下,多个虚拟APs存在于无线网络,每个虚拟美联社在本文中描述的方式。当一个电台与虚拟美联社有关,它通过WiFi网络访问互联网。如果站发送一个数据包到虚拟美联社,其传播范围内所有的APs接收它。这些APs组织成一组服务。美联社组形成一个无线虚拟接入网络(VAN)站。组中的每个AP定期报告站控制器的信号强度。下行数据包时需要发送到车站,首先多播是AP组中的每个成员,和一个美联社从选择的组控制器传输数据包到车站根据信号强度。与此同时,控制器命令其他APs可能导致碰撞保持沉默。没有控制器,多个APs可能争用信道传输包,和碰撞可能导致严重的性能下降。 In order to avoid a collision caused by uplink transmissions, the APs always set the contention window to 0. Therefore, the downlink transmission has a higher priority than the uplink transmission.

无线网络的用户分为两种类型,即。,主用户(脓)和二级用户(SUs)。主用户聚氨酯_我有一个访问带宽要求吗b_我,这应该得到保证。摘要规范化带宽用于促进分析。例如,如果一个主要用户要求访问带宽为0.2,这意味着20%的访问时间应该分配给用户。假设主用户的要求规范化带宽的总和不超过1。因此,对于每个主要用户,其范被分配一定的有效时间一个_我。在活动时间,AP组传输数据包到主用户,和其他站的车不应该干扰传输。它是可行的保证访问带宽的有效时间分配(17,18]。我们的解决方案的优势是它符合IEEE 802.11,而不需要修改客户端设备。

一个例子是显示在图1。四个APs和两个主用户存在于一个WiFi网络。的范PU1包含AP1 AP2,美联社集团服务PU2包括AP2, AP3, AP4。自从AP2存在于两个AP组同时,PU1的货车和PU2不能同时被激活。

活动时间分配给主用户可能包含几个分开的时间间隔如下:

这些时间间隔的总长度应该等于主用户的接入带宽要求,也就是说,

在迎合所有的主要用户的带宽需求,使用的剩余带宽是次要用户,如图1。剩余带宽来标示B_年代(二级用户的带宽),初级用户的总带宽B_p。他们计算如下: 在哪里 总带宽分配方法米主要用户根据一定的调度计划。

为了提高网络利用率、货车应该安排巧妙地最大化剩余带宽。因此,优化的目标是最大化的剩余带宽如下:

从另一个角度来看,应该最大化并发传输不同的车,和所有的主要用户是活跃时间最小化使用适当的安排:

确定货车可以同时传输,冲突图应该构建和维护的控制器。在冲突图,一个节点代表一个范。如果两个货车冲突,之间存在一条边对应的节点。

表示美联社的干扰半径R_我。两个货车不互相干扰,如果他们的距离大于R_我。两车之间的距离,V₁和V₂,被定义为 在哪里 无线节点之间的距离吗n_我和n_j一辆货车和一个无线节点是AP或站。

4所示。无线虚拟访问网络的调度算法

为这样一个环境中寻找最优调度是一个np难问题19];两车的调度算法是为了找到近似最优解。第一个调度算法是基于最大独立集,它被称为小姐,第二个是一个贪婪算法,线性复杂度,因此被称为林家。执行调度算法的控制器。

4.1。小姐

小姐算法探索之间的冲突关系的货车主要用户基于网络的冲突图。冲突图的最大独立集表示的最大的货车任何范不相互干扰。因此,这些货车可以同时被激活。

所示的算法1在调度过程中,冲突图的最大独立集。每个车的最大独立集分配的时间间隔最短长度等于带宽要求。如果带宽的要求(聚氨酯的范_我)是满意,它是远离冲突图。重复这个过程,直到所有的货车提供他们要求的带宽。

从1到4,每个车的有效时间和带宽分配要求初始化。第5行表示循环的终止条件是每个VAN分配足够的服务时间。在第6行,计算最大独立集,这意味着大多数货车不互相干扰。在这些货车,至少不满足带宽需求的确定活动的间隔长度的货车最大独立集。因此,最小的长度不满足带宽需求是获得在第7行。从8到15行,每车的最大独立集分配一个活跃的时间间隔。如果一辆货车的带宽要求是满意,从候选集合中删除。

自从发现最大独立集的过程的复杂性 ,小姐的计算复杂性 ,这是指数。

4.2。林家的

实现较低的计算复杂性,林家的设计基于贪婪策略。林家的时间表要求带宽的货车在降序排列。范的最大要求带宽分配有效时间。货车后,尽早分配活动时间它不会干扰其他安排货车,如算法所示2。不同于小姐,每个VAN分配一个连续服务时间间隔在林家的调度。

行1到4也一个初始化的过程。自从货车将降序排列的带宽需求,获取最大的带宽要求的范第5行,并分配了一个服务时间尽早从6到10。

林家的计算复杂性 ,这是线性的。

4.3。案例研究

假设四个货车共存一个WiFi网络,它们的冲突图显示在图2。冲突图中的每个节点代表一个范。如果一条线连接两个节点,这意味着相应的货车相互干扰。

四个主要用户的带宽要求0.3,0.3,0.2,和0.2,分别。下的调度方案和林家小姐在图所示3。

小姐,一个最大独立集包含用户1和3是发现,首先,根据干扰的关系。在这个最大独立集,用户至少3要求带宽。因此,两个用户分配一个活跃的间隔长度为0.2,即要求带宽的用户3。这个区间后,用户的带宽要求3一直满意,并从冲突图中删除。下一轮的循环,另一个包含用户1和4的最大独立集的发现。自用户1的剩余部分不满足带宽要求为0.1,低于要求的带宽的用户4,两个用户分配一个活跃的间隔长度为0.1。之后,用户从冲突图1删除因为活跃间隔分配的总长度等于它的带宽要求。在下一轮中,最大独立集只包含用户2是发现,它分配一个区间的长度0.3。最后,用户只有4节点的冲突图,剩下它分配一个区间来满足要求的带宽。错过的一个特征是,用户的要求的带宽可以分成多个间隔分开,像用户4。

对于林家,主用户分配活动间隔的降序排列要求带宽,间隔并不是分为分离的部分。在这种情况下,用户1分配一个区间长度为0.3。接下来,用户2分配以下区间长度为0.3,因为它有一个冲突与用户1。当用户3被认为是,因为它不会干扰用户,与用户分配一个并发间隔1。最后,用户4分配一个时间间隔后用户2的间隔,因为早期连续间隔不能被发现。

除了带宽分配给主用户,剩余带宽可以使用二级用户。在这种情况下,剩余带宽为0.3,小姐虽然林家的剩余带宽是0.2。因此,更多的带宽是残余的调度下小姐,和无线网络利用率更高。

小姐透露的情况下,有一个比她们更细粒度的调度,但林家有更高的效率。

5。绩效评估

模拟器的开发,和广泛的模拟进行了评估拟议的货车的调度算法的性能。

5.1。实验设置

无线网络与25 APs和50个主要用户生成的模拟器。APs是部署为5×5网格在500 m×500 m的矩形区域。主用户随机分布,均匀分布。传播范围和干扰范围无线节点的磁盘模式,和干扰传输半径100米,半径为150米。默认参数的模拟表中列出1。

介绍与比较基准和林家小姐,叫做和。总和是所需的带宽的总和的主用户不考虑它们之间的重叠可能如下:

从多个角度来评估性能,测量以下指标:(1)为了公平的比较,优化服务时间为所有主要用户总和的比例(OTS)提出了一种新的衡量标准(如下方程计算): 在哪里O是总服务时间为主要用户的调度下或林家小姐。OTS是0和1之间的比率,它应该最小化。(2)为调度(即平均时间成本。,the time for program execution) should be minimized.(3)二级用户应该最大化的剩余带宽。

5.2。实验结果

当主用户的数量变化从10到100年,和林家小姐的ots图所示4。ots的小姐和林家从40%到50%不等,不改变显然与主用户的数量会增加。在每种情况下,OTS略低于林家小姐(平均2%),这表明比林家小姐只有一点点。

当改变相邻APs之间的距离从50米到150米,和林家小姐的ots图所示5。美联社的密度降低,两种调度算法的ots下降缓慢。这是因为当APs之间的距离增加,传输AP组减少之间的冲突,更多的并发传输是可用的。ots的更小比林家小姐,小姐之间的差异和林家的仍然是有限的。

在图6,和林家小姐的ots时显示主要用户的要求访问带宽范围的变化。从结果可以看出,主要用户的要求访问带宽范围并不影响ots的两种调度算法。

从数据4- - - - - -6,结论有较低的比林斯OTS小姐当不同的参数变化。然而,两种调度算法之间的差异非常小。

安排在不同情况下的平均时间成本也测量。在图7,当主用户的数量从10增加到100年的时间成本成倍地激增小姐,而林家的时间成本有一个轻微的线性增量。不同的两种调度算法的计算复杂性导致这个结果。

时间成本相对于美联社密度图所示8。错过的时间成本仍有明显的增长。然而,在这种情况下,林家的时间成本也慢慢减少,因为传输冲突减少。

当主用户的要求的带宽范围大,错过的时间成本略有增加,而林家的时间成本保持稳定,如图9。两种算法之间的差异仍然很大。

从数据7- - - - - -9,得出的结论是,错过时间成本的增长速度远远超过了林家。的区别是显而易见的特别是当WiFi网络的规模很大。原因是有一个小姐指数计算复杂度,和林家有线性复杂度。自从在OTS两种调度算法也有类似的表现,她们更适合实际应用。因此,在下面的模拟,只比基准和林家。

剩余带宽提供二级用户,应该提高网络利用率最大化。当主用户的数量发生变化时,林家的剩余带宽,和显示在图10。由于并发传输计划到林家,林家的剩余带宽减少比和慢得多。

在图11,林家的剩余带宽的增加略APs部署稀疏,而美联社密度不影响剩余带宽的总和。

如图12,当主用户的带宽要求的增加,剩余的带宽总和大大减少。然而,林家的下降速度放缓,由于其调度。

从数据10- - - - - -12可以得出一个结论,提高网络利用率在WiFi网络由于传输调度。

6。结论

提供差异化和下行带宽保证设备在智能空间中,无线虚拟接入网络的框架是软件定义无线网络设计的。两种调度算法,基于此框架,提出了和林家小姐,最大化网络的利用率。小姐算法采用冲突图的最大独立集增加并发传输的AP组。林家的算法将AP组以线性顺序,有较低的计算复杂度比小姐进行了大量的仿真实验,结果表明,两种算法无线虚拟接入网络有效地调度。然而,林家的算法更适合实际应用由于其效率高。

数据可用性

使用的数据来支持这个研究的发现可以从第一作者要求(lvpin@gxu.edu.cn)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究由广西BaGui专项资金资助学者,中国国家自然科学基金(61402513和61402513),广西自然科学基金(2019 jja170045 2018 jja170194 2018 jja170028和2016 jjb170040),和广西大学的科学研究基金会(XGZ150322)。

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